复杂地质情况下组合钢围堰受力性能研究

魏 谦，易明清，聂宁波，李 龙，牛俊杰

(中铁十五局集团第一工程有限公司 西安市 710000)

0 引言

随着桥梁建设数量的不断增加，在桥基建设当中，为创造合适的施工条件，钢围堰越来越多地被运用在桥梁基础建设当中。相关学者也对其进行了一系列研究，例如：夏争志等[1]对深水大直径双壁钢围堰的设计和施工技术进行了研究，李刚等[2]依托实际工程对锁扣钢管桩围堰的施工进行了详细分析。张程然等[3]对临港长江公铁两用大桥3号墩组合围堰施工过程中的应力、变形进行了监测分析。

由于每个工程所处地质情况的不同，钢围堰方案的选择也会有所区别。因此需要根据工程地质情况、施工条件等等原因选择合适的围堰方案，是围堰施工的前提。由于围堰施工过程中可能会遇到各种问题，尤其受力、变形情况是监控围堰施工安全的重点，可通过模拟钢围堰在各个施工阶段的受力、变形状态，对围堰施工安全进行监测。因此，根据该工程复杂地质情况对摆宴坝大桥钢围堰方案进行了选择、并对其各施工阶段验算分析，保证了钢围堰施工安全，并为今后类似条件下的钢围堰施工提供了参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

广元市摆宴坝嘉陵江大桥工程主路线长2.672km，路线主线起于省道205线，自南向北展线，通过新建桥梁跨嘉陵江，盘石滨江路及京昆高速，止于国道108线平交处，其中桥梁长1422.3m。跨江主桥为149m+133m独塔双索面斜拉桥，塔高130.395m。主桥结构形式采用独塔、双面索、密索体系、预应力混凝土箱型主梁、塔梁墩固结体系结构。全桥主梁标准段索距为6m，边跨压重段索距为4m。

1.2 水文地质

2 围堰方案比选

桥梁工程中常用围堰形式主要包括双壁钢围堰、钢板桩围堰、锁口钢管桩围堰、钢套箱围堰等，而本工程借鉴塞尔维亚泽蒙大桥主桥[4]采用的围堰形式，结合本工程地质条件、经济情况等，通过综合比较各个围堰形式的优缺点如表1所示，最终选用了组合钢管桩围堰—PC工法组合钢管桩的围堰形式。PC的含义是Pipe-Combination(钢管桩组合)，是通过锁扣对钢管桩和一个或多个拉森钢板桩进行连接形成的结构形式。

表1 围堰方案对比

该围堰结构，结合了拉森钢板桩和钢管桩的优点，通过钢管桩与拉森钢板桩的连接形成一个整体的钢质连续墙，整体稳定性好。并且钢管桩具有较强的抗弯性和抗断性，钢管桩可通过工厂统一生产，其质量可控，能够降低人工和地质等原因造成的施工误差。组合后的结构体系，充分利用了钢管的抗弯、拉森钢板的止水、内支撑拉、弯、压等材料的特性，形成了组合式围堰体系。其结构简单、施工方便、施工设备简单、施工速度较快、拆除方便，钢材回收率高，可周转使用。既能满足工程施工要求，又节省经济。

3 组合钢围堰简介

主桥主墩承台尺寸2m×17m×17m，中间采用17m×12.5m×5m系梁连接，围堰采用C9锁扣桩+拉森4钢板桩组合的围堰形式。围堰平面尺寸57.716m×20.32m，共设136根拉森4钢板桩和136根C9锁扣桩，第一层围檩系统采用2HN600×200型钢(Q235b钢)；第二层围檩系统采用2HN700×300型钢(Q235b钢)；第三层围檩系统采用3HN700×300型钢(Q235b钢)；第四层围檩系统采用3HN700×300型钢(Q235b钢)。围堰内支撑钢管采用Φ710×10mm+Φ630×8mm以上钢管，材质均为Q235b钢。围堰围檩加劲板采用t=10mm钢板，围檩对接钢板采用t=10mm钢板，材质均采用Q235b钢。围堰封底混凝土采用C25混凝土，封底厚度1m。围堰锁扣连接图与立面图分别如图1、图2所示。

图1 围堰锁扣连接图

图2 围堰立面布置图

4 钢围堰结构受力分析

4.1 围堰整体有限元建模

通过MIDAS Civil软件建立整体有限元模型如图3所示，钢管桩、拉森钢板、内支撑均采用梁单元模拟，整个结构共划分7108个节点、6932个单元。围堰受力状态，外侧采用主动土压、水压加载，内侧采用弹性地基梁(M值)模拟。

图3 围堰模型

4.2 土压力、水压力计算参数

围堰处地质主要为人工填土，圆砾、细砂岩回填料为小颗粒卵石，详细土层参数表如表2所示。

表2 土层参数

其中Ka：主动土压力系数，Ka=tan2(45°-φ/2),φ为土内摩擦角；

Kp：被动土压力系数，Kp=tan2(45°+φ/2)，φ

为土内摩擦角(围堰插打时主要穿过人工填土，圆砾层采用水土分算进行，细砂岩层按水土合算)。

水压力P=rh

式中：r—水容重，取10kN/m3；

h—水深，水压呈三角荷载分布。

4.3 各工况下的受力分析结果

4.3.1帷幕受力分析结果

根据实际工程施工过程，设计计算主要分为5个施工阶段。

CS1：围堰内首次开挖至第一层围檩下0.5m，围堰内外土基本平衡，固可不做验算。

CS2：安装第一层围檩内支撑，基坑内开挖至第二层围檩下0.5m。

CS3：安装第二层围檩内支撑，基坑内开挖至第三层围檩下0.5m。

CS4：安装第三层围檩内支撑，基坑内开挖至第四层围檩下0.5m。

CS5：安装第四层围檩内支撑，基坑内开挖至封底。

根据施工阶段，建立有限元模型分别对各施工阶段下组合钢管桩围堰帷幕刚度、强度进行计算，根据研究分析，帷幕最不利位置出现在长边中间位置处的钢板桩上，因此选取帷幕长边中间的钢板桩为研究对象，如图4所示。

图4 研究对象位置

CS1工况下，围堰内外土基本平衡，固可不做验算。

CS2工况下，帷幕最大弯矩、最大应力和最大变形如图5所示。

图5 CS2工况下帷幕最大弯矩(kN·m)、最大应力(MPa)、最大变形(mm)

CS3工况下，帷幕最大弯矩、最大应力和最大变形如图6所示。

图6 CS3工况下帷幕最大弯矩(kN·m)、最大应力(MPa)、最大变形(mm)

CS4工况下，帷幕最大弯矩、最大应力和最大变形如图7所示。

图7 CS4工况下帷幕最大弯矩(kN·m)、最大应力(MPa)、最大变形(mm)

CS5工况下，帷幕最大弯矩、最大应力和最大变形如图8所示。

图8 CS5工况下帷幕最大弯矩(kN·m)、最大应力(MPa)、最大变形(mm)

各施工阶段帷幕最大弯矩、最大应力和最大变形汇总数据如表3所示。

表3 围堰帷幕各施工阶段最大应力、最大变形和最大弯矩

由表3可知，围堰帷幕最大应力出现在CS5，最大应力值为142.17MPa，小于Q235钢的强度设计值190MPa；帷幕最大变形出现在CS5，最大变形为12.53mm，小于帷幕设计允许变形值δ=L/400=24000/400=60mm，因此PC工法组合钢管桩围堰帷幕强度和刚度满足施工要求。

4.3.2内支撑受力分析结果

根据有限元模型计算分析，围堰内支撑最不利受力情况出现在CS5工况下，其内支撑最大应力出现在围堰第四层围檩短边位置处，因此选取该工况下第四层围檩短边为研究对象，其第四层围檩整体应力图和短边围檩最大应力图分别如图9、图10所示。

图9 CS5工况下第四层围檩整体应力(单位：MPa)

图10 CS5工况下第四层围檩短边最大应力(单位：MPa)

由图9、图10可知，围堰内支撑最不利受力情况下的第四层围檩最大组合应力为σmax=185.22MPa，小于Q235型钢的许用应力[σ]=215MPa，因此围堰内支撑结构材料强度满足施工要求。

5 结论

根据本工程的复杂地质、施工、经济等条件，对比各围堰方案优缺点，比选结果表明PC工法组合钢管桩围堰方案最适合该工程，因此采用PC工法组合钢管桩围堰进行工程施工，并通过建立MIDAS有限元模型对其围堰形式进行计算分析，分析结果表明围堰的强度、刚度在各个施工阶段下均满足规范要求，结构施工过程安全可靠。